CN100504296C - 基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法 - Google Patents

Abstract

基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法是一种应用于测绘工作的基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法，该方法在测绘现场，把光纤陀螺(1)通过连接装置(2)与全站仪望远镜(3)固连，使光纤陀螺(1)可随全站仪望远镜(3)绕全站仪横轴(4)同步做180度转动，分别在陀螺轴东西向相差180度两个水平位置，每个水平位置在全站仪竖盘相差180度的两个竖直位置进行2×2位置陀螺数据采集；利用公式算得全站仪视准轴真方位角、测站子午线收敛角，即可进一步获得全站仪视准轴坐标方位角，实现全站仪定向。本发明结构简单，不需要进行安装误差标定，进行简单操作即可在只有一个控制点情况下实现全站仪定向，可用于城镇、森林、山区等通视困难地区的测绘工作。

Description

基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法

技术领域

本发明涉及一种定向方法，具体是一种应用于测绘工作的基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法，本发明属于机械测绘的技术领域。

背景技术

在测绘工作中，利用全站仪进行碎部点测量或放样时，需要先确定全站仪视准轴的坐标方位角，即进行全站仪定向。现行的全站仪定向方法是把全站仪架设在一个已知控制点上，后视另一个相隔较远的已知控制点，利用两点坐标反算获得全站仪视准轴坐标方位角。GPS定位技术具有点位测量时不需要点间通视的优势，目前已成为进行控制测量的主要手段。现行的全站仪定向方法要求GPS测得控制点间即需要通视又需要相隔一定的距离，这使得GPS技术的优势没能充分发挥，同时也给在通视困难地区的控制点布设带来了难度。因此，实际工作迫切需要一种可行简便的定向方法，实现在只有一个GPS控制点的情况下就可以完成角秒级的全站仪定向，免去需要有一个用于定向的后视点的麻烦。使用现有的角秒级陀螺经纬仪虽能满足上述要求，但由于使用的是机械陀螺，设备笨重且价格昂贵，目前主要用于井下坑道测量。使用该类仪器前需进行仪器常数标定，且定向的操作过程复杂，这都使得其难以在普通测绘工作中推广；况且目前由于全站仪具有经纬仪无法比拟的优点，经纬仪在绝大数测绘工作中已被全站仪取代。

中国专利公开号CN1721820A，公开日2006年1月18日公开了一种高精度自动陀螺全能仪及构成方法，高精度自动陀螺全能仪的自动陀螺是在普通机械陀螺的基础上增加双形光标、测时光栅位置标定器、光电接收器、光电信号处理器、计时信号通道以及作高精度测时和控制用的掌上电脑构成，掌上电脑中的自动陀螺快速定位定向***软件控制自动陀螺完成自动定位定向工作。该装置采用的是自动陀螺结构较为复杂，利用马达驱动陀螺增加设备的重量和耗电量；利用该设备进行定向前依然要标定自动陀螺与全站仪之间的安装误差，操作和携带均不太方便。

光纤陀螺具有很多机械陀螺难以匹配的的优点，主要有仪器牢固稳定，结构简单，价格低廉，启动时间短，检测灵敏度和分辨率高，可直接用数字输出并与计算机接口联网，寿命长且信号稳定可靠。基于光纤陀螺的优越性，国内外很多相关单位都很重视光纤陀螺寻北方面的应用研究，成果多集中在军事武器装备上。中国专利公开号CN1877257A，公开日2006年12月13日公开了一种单轴光纤陀螺寻北仪，主要包含作为敏感元件的单轴光纤陀螺、转轴、方向指示线、步进机、单片机、寻北解算计算机，光纤陀螺、方向指示线均固连在转轴上，步进电机可以带动转轴转动，以此可以获得光纤陀螺在不同位置的输出信号；单片机主要完成对转轴转动的控制，寻北解算计算机主要完成数据采样、处理以及解算出寻北结果。该装置结构较复杂，其本身没有高精度的测绘功能，同时难以和广泛使用的全站仪进行匹配使用。

发明内容

技术问题：本发明针对现有技术的不足与缺陷，提供一种基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法，通过光纤陀螺与全站仪望远镜固连，充分利用全站仪望远镜可以带动光纤陀螺精确做水平和竖直各转过180度的特点，实现不用进行安装误差标定即可得到角秒级的全站仪视准轴坐标方位角，在只有一个GPS控制点的情况下即可以完成全站仪定向。另外，本发明利用了光纤陀螺仪体积小、重量轻、仪器牢固稳定的特点，成功克服了现有机械陀螺所造成的寻北***抗冲击力不强和功耗较大的缺点，且操作简单方便。

技术方案：本发明是利用陀螺敏感地球自转角速度为为全站仪定向，具体技术方案是在已知点位经度B、纬度L的控制点上整平对中全站仪，将光纤陀螺通过连接装置固连到全站仪望远镜上，通过水平转动全站仪照准部带动全站仪望远镜分别到相差180度的东向位置和西向位置，在东向位置和西向位置再分别通过竖直转动全站仪望远镜180度，带动光纤陀螺到东向抵偿位置和西向抵偿位置，在上述四个位置利用光纤陀螺对地球自转角速度分别进行不少于n次重复测量，利用测量数据进行如下过程解算：

①计算东向位置时全站仪横轴真方位角α₁，具体如下：

${\mathrm{\α}}_1=\frac{1}{2}\arccos [\frac{w_1-w_4}{2w_{\mathrm{ie}}\cos B\·\cos \mathrm{\ξ}}-\mathrm{tgB}\·\mathrm{tg\ξ}]$

$+\frac{1}{2}\arccos [\frac{w_2-w_3}{2w_{\mathrm{ie}}\cos B\·\cos \mathrm{\ξ}}-\mathrm{tgB}\·\mathrm{tg\ξ}]$     式(1)

其中：w_ie为已知地球自转角速度，B为控制点纬度，w₁为东向位置光纤陀螺进行不少于n次重复测量的平均值，w₂为东向抵偿位置光纤陀螺进行不少于n次重复测量的平均值，w₃为西向抵偿位置光纤陀螺进行不少于n次重复测量的平均值，w₄为西向位置光纤陀螺进行不少于n次重复测量的平均值，ξ为全站仪给出的自身竖轴倾斜角在横轴方向的投影角；

②利用测站经度B、纬度L，高斯投影中央子午线经度L₀，WGS-84椭球长半轴a、短半轴b，计算本控制点子午线收敛角γ；

$\mathrm{\γ}=l\·\sin B+\frac{l^3}{3}\·\sin B\·{\cos }^{2}B\·(1+3y^2+2\·y^4)+\frac{l^5}{15}\·\sin B\·{\cos }^{4}B\·(2-t^2)$

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式(2)

其中：t＝tgB； $y^2=\frac{a^2-b^2}{b^2}\·{\cos }^{2}B;$  l＝L-L₀；a为WGS-84椭球长半轴；b为WGS-84椭球短半轴；L为本观测点经度；L₀为高斯投影中央子午线经度；

③计算出东向位置时全站仪望远镜视准轴的坐标方位角α₂，即实现全站仪定向，具体如下：

α₂＝α₁+γ+90   式(3)

所述的光纤陀螺的轴应以与全站仪的横轴应以不超过5度的夹角安装到全站仪望远镜上；

所述的光纤陀螺安装到全站仪望远镜上还应满足光纤陀螺能随全站仪望远镜绕全站仪横轴做180度转动；

所述n的确定方法为：

$n={\left(\frac{m_w}{4w_{\mathrm{ie}}\·\cos B\·\sin \mathrm{\α}\·\sqrt{m_{\mathrm{\α}}^2-36}}\right)}^2$    式(4)

其中，w_ie为已知地球自转角速度；m_w为光纤陀螺零位稳定性；m_α为定向需求精度，α为东向位置时全站仪横轴真方位角α₁的概略值。

有益效果：本发明所述的基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法对硬件安装要求简单，使用时只需要把光纤陀螺通过连接装置与全站仪望远镜固连，使得光纤陀螺可随全站仪望远镜绕全站仪横轴同步做180度转动即可进行全站仪定向，不需进行安装误差标定，操作过程简单，完成定向后即可取下；该方法可适用现有各类全站仪。另外，本发明利用了光纤陀螺仪体积小、重量轻、仪器牢固稳定的特点成功克服了现有机械陀螺所造成的寻北***抗冲击力不强和功耗较大的缺点。

本发明所述的基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法可以有效消除陀螺安装至全站仪上带来的安装误差对全站仪定向带来的精度影响，安装误差在竖直面上投影角在20角分之内时，对定向精度的影响可控制在2角秒之内，安装误差在水平面上投影角在1度之内时，对定向精度的影响可视为零。通过获取全站仪竖轴倾斜敏感值来抑制竖直旋转轴不竖直带来的对定向精度影响，使其对定向精度的影响限制在5角秒之内。

附图说明：

图1为基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法技术流程图；

图2为光纤陀螺与全站仪望远镜间的连接方法图；

其中有：光纤陀螺1、连接装置2、望远镜3、全站仪横轴4。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步进行说明：

图1为基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法技术流程图，其包含七个操作步骤。应用本发明的具体实施例是在南京市玄武区进行地籍测绘时，在控制点A上进行全站仪定向。控制点A处于某居民小区内，四周被建筑物包围，按传统全站仪定向方法需在距控制点A二百米以远处布设一用于定向的控制点B，这是很困难的，利用本发明不需布控制点B就可以完成全站仪定向。本实施例采用了零偏稳定性为0.2度/小时、采样频率为100Hz、浙江大学研制的型号为ZD-75光纤陀螺，数据记录和计算利用型号为多普达696的PDA进行，采用的全站仪型号为GPT-7000L。在控制点A利用本发明进行全站仪定向的具体操作及计算过程如下：

1)全站仪安置：在已知点经度为118°47′19”、纬度为32°03′28″的控制点A上安置全站仪；

2)在全站仪上安装光纤陀螺：如图2，通过连接装置2将光纤陀螺1固连到全站仪望远镜3上，光纤陀螺1的轴与全站仪横轴4间的夹角不大于5度，光纤陀螺1能随全站仪望远镜3绕全站仪横轴4同步做180度的转动；

3)东向位置采集：转动全站仪照准部使光纤陀螺1的轴指向东向后水平制动全站仪照准部，把全站仪望远镜3转到竖直度盘90度位置并竖直制动；本实施例的定向需求精度为30角秒，全站仪横轴真方位角的概略值取90度，由式4计算得n为758次，对于本实施例即光纤陀螺工作8秒钟；数据采集：按PDA上的工作键对光纤陀螺1所测得数据进行存储，8秒钟后按PDA上停止键停止对光纤陀螺1所测得数据进行存储，并算得平均值w₁为—1.62955094541491度/小时；

4)东向抵偿位置采集：松开全站仪竖直制动螺旋，并转动全站仪望远镜3从竖盘90度到竖盘270度位置后竖直制动；重复步骤3)的数据采集过程，并算得平均值w₂为-1.27246098896772度/小时；

5)西向抵偿位置采集：松开全站仪水平制动螺旋，转动全站仪照准部180度后水平制动；重复步骤3)的数据采集过程，并算得平均值w₃为1.04023662764721度/小时；

6)西向位置采集：松开全站仪竖直制动螺旋，并转动全站仪望远镜3从竖直度盘270度到竖直度盘90度位置后竖直制动；重复步骤3)的数据采集过程，并算得平均值w₄为1.86177763395571度/小时；

7)解算过程：在PDA上进行全站仪望远镜视准轴的坐标方位角的计算，具体过程和结果如下：

7.1)按式1计算东向位置时全站仪横轴4真方位角α₁：已知纬度B为32°03′28″，全站仪给出的自身竖轴倾斜角在横轴方向的投影角ξ为28″，地球自转角速度为15.04106687606545度/小时；计算得东向位置时的全站仪横轴4真方位角α₁为96°32′33″；

7.2)按式2计算A点子午线收敛角γ：已知测站A点的经度为118°47′19″、纬度为32°03′28″，WGS-84椭球长半轴a为6378137m、短半轴b为6356752m，高斯投影中央子午线经度L₀为120°00′00″；计算得A点子午线收敛角γ为—0°39′20″；

7.3)按式3计算得到东向位置时全站仪望远镜视准轴的坐标方位角α₂为185°53′13″，即实现了全站仪定向；

Claims (3)

1、一种基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法，其特征在于在已知点位经度B、纬度L的控制点上整平对中全站仪，将光纤陀螺(1)通过连接装置(2)固连到全站仪望远镜(3)上，通过水平转动全站仪照准部带动全站仪望远镜(3)分别到相差180度的东向位置和西向位置，在东向位置和西向位置再分别通过竖直转动全站仪望远镜(3)180度，带动光纤陀螺(1)到东向抵偿位置和西向抵偿位置，在上述四个位置利用光纤陀螺(1)对地球自转角速度分别进行不少于n次重复测量，利用测量数据进行如下过程解算：

①计算东向位置时全站仪横轴(4)真方位角α₁，具体如下：

${\mathrm{\α}}_1=\frac{1}{2}\arccos [\frac{w_1-w_4}{{2w}_{\mathrm{ie}}\cos B\·\cos \mathrm{\ξ}}-\mathrm{tgB}\·\mathrm{tg\ξ}]$

$+\frac{1}{2}\arccos [\frac{w_2-w_3}{{2w}_{\mathrm{ie}}\cos B\·\cos \mathrm{\ξ}}-\mathrm{tgB}\·\mathrm{tg\ξ}]$

其中：w_ie为已知地球自转角速度，B为控制点经度，w₁为东向位置光纤陀螺(1)进行不少于n次重复测量的平均值，w₂为东向抵偿位置光纤陀螺(1)进行不少于n次重复测量的平均值，w₃为西向抵偿位置光纤陀螺(1)进行不少于n次重复测量的平均值，w₄为西向位置光纤陀螺(1)进行不少于n次重复测量的平均值，ξ为全站仪给出的自身竖轴倾斜角在横轴方向的投影角；

②利用测站经度B、纬度L，高斯投影中央子午线经度L₀，WGS-84椭球长半轴a、短半轴b，计算本控制点子午线收敛角γ；

③计算出东向位置时全站仪望远镜视准轴的坐标方位角α₂＝α₁+γ+90，即实现全站仪定向；

所述重复测量的次数n的确定方法为：

$n={\left(\frac{m_w}{{4w}_{\mathrm{ie}}\·\cos B\·\sin \mathrm{\α}\·\sqrt{m_{\mathrm{\α}}^2-36}}\right)}^2$

其中，w_ie为已知地球自转角速度；m_w为光纤陀螺零位稳定性；m_a为定向需求精度，α为东向位置时全站仪横轴(4)真方位角α₁的概略值。

2.根据权利要求1所述的基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法，其特征在于光纤陀螺(1)的轴应以与全站仪的横轴(4)不超过5度的夹角安装到全站仪望远镜(3)上。

3.根据权利要求1所述的基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法，其特征在于光纤陀螺(1)安装到全站仪望远镜(3)上应满足光纤陀螺(1)能随全站仪望远镜(3)绕全站仪横轴(4)做180度转动。

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